Magnetic effect in the biological functioning of hemoglobin: DFT+QMC approach within an effective multi-orbital Anderson impurity model

Abstract

Hemoglobin corresponds to O2 transportation from lungs to the tissues and exhibits high-spin to low-spin transition by binding of O2 to Fe. In this thesis, we study the electronic and magnetic properties of the deoxy and the oxy forms of the human adult hemoglobin (HbA) to investigate the mechanism of the spin transition. We use an effective multi-orbital Anderson model and the parameters of this model are determined by the density functional theory (DFT) calculations. Then, this model is solved by using a quantum Monte Carlo (QMC) algorithm. The DFT+QMC results show that new electronic states named as the impurity bound states (IBS) exist in both deoxy-HbA and oxy-HbA.We also observe that as the temperature decreases, a magnetic gap is opened at the Fermi level for oxy-HbA. This gap arises from the Fe-O2 charge transfer. We find that both the IBS and the opening of the magnetic gap are responsible for the spin transition in hemoglobin. In addition, the DFT+QMC calculations show that antiferromagnetic (AF) correlations between the Fe(3d) and the surrounding orbitals exist in both deoxy-HbA and oxy-HbA. For deoxy-HbA, the anomalous magnetic circular dichrosim signal in the UV region is experimental evidence for these AF correlations. In the light of these magnetic measurements, we propose some explanations for the Bohr effect and the cooperativity which are the fundemental functional properties of the hemoglobin. The results presented in this thesis show that the magnetic effects play a crucial role in the funtioning of the hemoglobin.

Hemoglobin molekülü, akciğerlerden hücrelere O2 taşınımından sorumludur ve O2'nin demire (Fe) bağlanmasıyla spin durumu yüksek-spinden düşük-spine geçmektedir. Bu tezde, deoksi ve oksi formdaki yetişkin insan hemoglobininin (HbA) elektronik ve manyetik özellikleri etkin çok-orbitalli Anderson modeli ile çalışılmıştır. Bu modelin parametreleri yoğunluk fonksiyoneli teoremi (DFT) ile elde edilmiştir. Daha sonra, kuantum Monte Carlo (QMC) algoritması ile bu model çözülmüştür. DFT+QMC sonuçları deoksi-HbA ve oksi-HbA moleküllerinde safsızlık bağıl durumu (IBS) olarak adlandırılan yeni elektronik hallerin var olduğunu göstermiştir. Ayrıca, sonuçlar, sıcaklık düştükçe, oxy-HbA için Fermi seviyesinde bir manyetik aralığın oluştuğunu göstermektedir. Bu manyetik alınganlık Fe-O2 yük geçişinden kaynaklanmaktadır. Bu tezde sunulan spin geçiş mekanizması hem IBS'lerin varlığının hem de manyetik aralığın açılmasının yüksek-spinden düşük-spine geçişe neden olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, deoksi-HbA ve oksi-HbA moleküllerinde Fe(3d) ile çevre orbitaller arasında antiferromanyetik (AF) korelasyonların var olduğunu bulduk. Deoksi-HbA için, UV bölgesindeki anomal manyetik dikroizm sinyallerinin bu AF korelasyonlar için deneysel bir kanıt olduğunu gösterdik. Bu manyetik ölçümler ışığında, hemoglobinin önemli fonksiyonel özellikleri olan Bohr etkisi ve kooperativite için açıklamalar önerdik. Bu tezde sunulan sonuçlar manyetik etkilerin hemoglobinin işleyişinde önemli rol oynadığını göstermektedir.